纳米梯度结构材料轧制行为研究(2)
梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸在空间上呈梯度变化, 从纳米尺度连续增加到宏观尺度[3]。其实质是晶界(或其他界面)密度在空间上呈梯度变化, 因此对应着许多物理化学性能在空间上的梯度变化。材料在服役时，一般都从表面开始破坏和失效，比如像磨损、疲劳断裂等，所以要提高材料的整体性能并延长其服役寿命就要提高材料的表面性能。因此在金属材料表面引入纳米梯度结构具有非常广阔的工业应用前景。
对现在而言，表面纳米化技术属于一种主要的纳米梯度结构制备方法，该方法利用严重塑性变形方法在材料表面成功实现纳米化，晶粒尺寸从表面到心部呈梯度变化。这种方法制备的材料可有效提高材料的表面硬度[4]、拉伸强度以及耐磨性能，但由表面纳米化技术制备的材料表面粗糙度往往较大，影响实际工业应用，本实验通过后续的低应变轧制来改善纳米梯度结构材料的表面粗糙度，并研究轧制后的材料组织和性能变化。
1.1 表面纳米化的制备方法
纳米材料有着很多比其他材料优越的性能，比如说强度较高、比热和膨胀系数高、塑性变形能力比其他材料好，同时也有人发现它的一些理化性能也很优秀。1999年，K Lu[5]提出了金属材料表面纳米化的概念，即在材料的表面制备出具有一定厚度性能优异的纳米结构表层，通过表面组织性能的优化来提高材料的综合性能。目前来说，表面纳米化的方法主要有3种，即表面涂层或沉积、表面自纳米化以及表面自纳米化与化学处理相结合的混合方式，如图（1）所示。
比较以上三种制备方法，表面涂层或沉积的到的纳米结构表层与基体材料之间有着明显的界面，外形也有所增加，混合方式的化学处理改变了材料表面层的化学成分，表面自纳米化在材料基体表面形成纳米层，不改变材料表面层的化学成分，也基本不改变材料基体的形状，同时纳米晶粒层和基体金属间没有明显的结合界面,结合紧密,不易脱落,具有非常优异的性能发展潜力。
（a）表面涂层或沉积 (b)表面自身纳米化 (c)混合方式
图（1）表面纳米化制备的方法
本试验采用的表面自纳米化是对多晶材料采用非平衡处理方法，增加其表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳米级的方法。表面自纳米化的方法主要有两种[6]，即表面机械（加工）处理法和非平衡热力学法，这两种方法的根本目的都是使材料表面自由能增加，让晶粒细化，但不同方法所采用的工艺和导致的纳米化的微观机理存在较大差异。相比较而言，表面机械加工处理法运用得较多、较成熟。
1.1.1 非平衡热力学法
非平衡热力学法是将材料快速加热至熔化或相变温度，再进行急剧冷却。通过动力学控制提高形核率、抑制晶粒长大速率，可以在材料的表面获得纳米晶组织，其机理类似于马氏体相变，纳米晶体形成的关键是实现快速加热和冷却，用于实现快速加热-冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。
1.1.2 表面机械加工处理法
表面机械加工处理法，是将高频的外加载荷重复作用在材料表面，使其自由能增加，在不同的方向上产生强烈的塑性变形，以使得材料表面的粗晶逐渐细化到纳米尺度。表面机械加工实现纳米化的实质就是使材料表面发生强烈塑性变形或严重塑性变形，强烈塑性变形使得大尺寸晶粒“破碎”形成细小晶粒，直至形成纳米晶[7]。能够使材料表面产生往复强烈塑性变形的表面机械加工处理技术都具有实现表面纳米化的能力,如表面机械研磨法[8~ 10]、超音速颗粒轰击法[11，12]、凸轮辊压法[13]、气动喷丸法[14，15]和超声摩擦法等。
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